在性能上的增長，純硅功率晶體管有著令人羨慕的成績，然而，對于高要求的功率開關和控制的應用上，它似乎已經(jīng)到達了它的極限。 　　 碳化硅（SiC），作為一種新型半導體材料，具有潛在的優(yōu)點：更小的體積、更有效率、完全去除開關損耗、低漏極電流、比標準半導體（純硅半導體）更高的開關頻率以及在標準的125℃結溫以上工作的能力。小型化和高工作耐溫使得這些器件的使用更加自如，甚至可以將這些器件直接置于電機的外殼內(nèi)。 　　 任何一種新技術都會經(jīng)歷由發(fā)展到成熟的過程，SiC也不例外。標準功率開關，如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），有很大的產(chǎn)品基礎和優(yōu)化的生產(chǎn)技術。而SiC卻需要投入大量經(jīng)費和研發(fā)資金來解決材料問題和完善半導體制造技術。然而這種功率開關器件，能夠在正向?qū)ù箅娏骱头聪蚪刂骨Х妷褐g快速執(zhí)行開關動作，這樣的性能是值得一試的。 　　 SiC最初的成功應用和主要應用發(fā)光二極管，用于汽車頭燈和儀表盤其他照明場合。其他的市場包括開關電源和肖特基勢壘二極管。將來會應用到包括混合動力車輛、功率轉(zhuǎn)換器（用于減小有源前置濾波器的體積）和交流/直流電機控制上。這些更高要求的應用還沒有商業(yè)化，因為它們需要高質(zhì)量的材料和大規(guī)模的生產(chǎn)力來降低成本。在全世界范圍內(nèi)，大量的研究經(jīng)費投入到了公司、實驗室和政府設施，以使SiC技術更加可行。一些專家預言，SiC技術的商業(yè)化、工業(yè)化甚至軍工應用將在2到5年或者更遠的時間內(nèi)變成現(xiàn)實。 [align=center] 圖1：APEI Inc.的這個功能齊全的基于SiC的3kW三相換流器原型， 可以工作于250℃以上的溫度。[/align] 電機控制生產(chǎn)商對于SiC的發(fā)展特別有興趣，有些甚至與研究人員和半導體生產(chǎn)商進行合作來促進SiC的發(fā)展。但是他們大多數(shù)都對這種協(xié)作關系閉口不談。 　　 SiC技術的促進者 　　 Rockwell Automation公司標準驅(qū)動部門的顧問工程師Gary Skibinski博士說：“Rockwell Automation看到了這個新技術的潛在優(yōu)點并認為自己是SiC技術的促進者。Rockwell公司也確定了SiC技術會如何融入其將來的商業(yè)計劃。對于一個領先的公司，理解并接納新興技術是至關重要的?！? 　　 發(fā)展正在逐步進行。Skibinski舉例道，在驅(qū)動模塊的每個標準IGBT上附加一個SiC功率二極管，作用如同變極飛輪二極管，作為提高生產(chǎn)力邏輯上的第一步；這種改變其次將會應用于功率開關上。他說：“純SiC驅(qū)動仍處于研發(fā)和原型論證階段?！? 　　 相對于純SiC模型（Si IGBT+反平行二極管開關）的進展，在近期對于Si-SiC混合型功率模型（Si IGBT+商業(yè)SiC二極管）的研究中，Rockwell公司在減少能量損耗和增加載波頻率上獲得突破性進展。此模型總的功率損耗為Eon+Err+Eoff（見圖2）。對于Si或者SiC二極管，不管Rgate值如何變化，Eoff的值都不會變化，但是當使用SiC二極管時，其他的兩個功率損耗分量會因Rgate值的變化而發(fā)生變化。對于任何Rgate值，二極管反向恢復損耗Err實際上已經(jīng)幾乎減小到0（94%）。當Rgate=25Ω時GBT的Eon減小了37%，當Rgate=8絞?，IGBT的Eon減小了85%。 [align=center] 圖2：Rockwell Automation 近期的調(diào)查顯示，相對于全硅模塊， Si-SiC混合模塊可以潛在地減小功率損耗Eon和Err。為了便于比較， 全硅模塊的IGBT功率損耗En被規(guī)格化為每一個單位3.3mJ。[/align] 研究的結果證明了更高開關頻率的可能性，在以前，更高的開關頻率一直受限于純硅二極管的反向恢復損耗。Err限制了在減小開啟損耗上的進一步發(fā)展。Skibinski解釋道：“硅模塊的供應商推薦使用一個門電阻Rgate （例如25 Ω，來平衡IGBT的開啟能量損耗（Eon） 關斷能量損耗（Eoff）?！比欢鴮τ赟iC二極管，門電阻Rgate就可以省去不用了。 　　 他說：“SiC二極管能夠降低總功率損耗（Eon+Err+Eoff），這一特性仔驅(qū)動上的應用有著潛在優(yōu)點?！笔紫?，在使用同樣的制冷系統(tǒng)的條件下，它可以達到4倍的開關頻率，可以使前置電磁濾波器具有更好的性能、更小的體積和更低的價格?；蛘?，你也可以保留現(xiàn)在的開關頻率和制冷系統(tǒng)，這樣就可以得到更高的效率和穩(wěn)定性、更低的損耗、更高的額定輸出。降低的總功率損耗可以潛在地降低制冷花費。 　　 Yaskawa Electric是另一個采用SiC技術的驅(qū)動生產(chǎn)商，他把SiC技術應用于雷達屏幕上。Yaskawa Electric總結SiC的基本的優(yōu)點有：高工作溫度、高開關速度、在導通和開關模式下都具有更低的損耗，這些是驅(qū)動系統(tǒng)更加有效率。 　　 日本小倉Yaskawa Electric公司研發(fā)實驗室的IEEE的特殊會員Tsuneo J. Kume博士在Control Engineering中說道：“這種低損耗的特性，加上高工作結溫，是碳化硅器件和制冷系統(tǒng)具有更小的體積，進而導致具有更高功率密度的驅(qū)動系統(tǒng)的成為可能。而且，高頻開關性能極大地改進了控制系統(tǒng)的響應和帶寬。”Yaskawa公司正在與先進的半導體生產(chǎn)商密切合作，例如Mitsubishi Semiconductors公司，只要技術成熟，將會推出具有先進技術的SiC器件。據(jù)Kume說，這種技術正在為實際應用和質(zhì)量作進一步實驗，使用這種新技術的驅(qū)動產(chǎn)品，暫時還沒有開始開發(fā)。 　　 敏捷的，創(chuàng)新的 　　 一些小型的，具有創(chuàng)新精神的公司往往會對先進技術產(chǎn)生促進作用。在SiC領域內(nèi)，一個這樣的例子是Arkansas Power Electronics International Inc。APEI專攻對于使用SiC器件作為核心技術的高性能功率電子系統(tǒng)的開發(fā)。APEI公司的總裁Alexander B. Lostetter博士說：“APEI公司特別關注那些用于極端環(huán)境（溫度高于500℃或更高）和/或具有很高功率密度的應用場合的技術。” [align=center] 圖3：TranSiC的雙極型碳化硅功率晶體管BitSiC1206，是一個已經(jīng)和 用戶見面的6-A原型。30-A原型的期間計劃于2007年底面世。[/align] APEI公司已經(jīng)開發(fā)、制造并測試了基于SiC技術的直流和交流電機驅(qū)動、單相合三相換流器（額定功率為3kW和5kW）、直流到直流轉(zhuǎn)換器。Lostetter介紹公司其他方面的研究進展包括：高溫封裝技術，此技術使單一器件可以工作于500或500以上的環(huán)境。還有基于SiC技術的模擬/數(shù)字低壓電路控制，借此可以將電路集成到工作于300℃以上的功率控制系統(tǒng)中。同樣在開發(fā)中的還有可以工作于500℃溫度下的基于離散SiC結型場效應晶體管JFET（junction field-effect transistor）的運算放大器。Lostetter說：“高結溫減小了電子產(chǎn)品的熱處理系統(tǒng)的體積，并使其可以工作與高功率密度下?！? 　　 SiC專家Swedish于2005年建立了另外一家活躍于SiC功率晶體管開發(fā)的小公司——TranSiC AB，它是從斯德哥爾摩的Royal Institute of Technology （KTH）公司分離出來的。最近TranSiC AB成功地完成了他的具有標準TO247封裝的雙極型晶體管的原型論證。第一個模型BitSiC1206是一個1200V、6A的器件。 　　 TranSiC公司的CEO BoHammarlund，提到芯片的封裝很成功，打開和關斷的開關性能相比于同類產(chǎn)品也很優(yōu)秀。公司從各種各樣的貨源購買SiC晶片和外部材料，但是關鍵的芯片處理全部完成與KTH的實驗室中。 　　 Hammarlund解釋道，BitSiC的工業(yè)封裝是由一個經(jīng)驗豐富的外包公司完成的，但是當客戶是飛行員時，TranSiC公司可以提供短周期的快速封裝，因為在這種應用場合下，封裝的價格和開發(fā)速度是有關的。 　　 TranSiC希望兩年之內(nèi)能夠使BitSiC產(chǎn)品成熟起來并使其具有成本效益。時下，每片這種芯片是十分昂貴的。Hammarlund解釋道：“我們會采用每一項成本降低措施，我們希望在之后的2年內(nèi)，每六個月成本會降低30%?！? 　　 下一個目標是在2006年底使BitSiC具有廣大的客戶群，并在TranSiC的網(wǎng)站上提供給書說明書。Hammarlund告訴Control Engineering“我們的目標是在2007年底完成30A的器件原型，加上可以承受225℃結溫的封裝原型。”更高電流的期間公司的長期開發(fā)路線。 不同的觀點 　　 并不是每一個人都同意碳化硅功率控制的前景。ABB公司是高功率半導體的專家，但是在2002年，瑞典的聯(lián)合開發(fā)中心，他終止了SiC開發(fā)項目。公司半導體研發(fā)部對于此舉措的一個解釋是由Basel平面斷層導致的雙極導通衰減效應。這反映了一種單純基于高電壓/高功率器件和應用的前景。 　　 ABB Switzerland Semiconductors研發(fā)部的總工程師Munaf Rahimo博士說：“碳化硅短期上適合低電壓單極型二極管，它也有潛力用于離散高頻場合中的低功率雙極晶體管和結型場效應晶體管。然而，由于SiC和Si材料間更高的PN結柵高，雙極性二極管僅對于額定電壓高于4.5kV的器件的傳導損耗方面能起到些左用。另一方面，SiC雙極型晶體管并沒有被這個缺點所阻礙，從長遠上看，它在高壓應用領域還是比其他種類的開關值得關注的?！? 　　 對于SiC技術的快速開關能力，ABB Semiconductors確認說，這種高頻工作能力僅在低雜散電感的環(huán)境中才適用，例如低功率/低壓系統(tǒng)中。Rahimo說：“在高功率系統(tǒng)中，雜散電感很大，要求半導體緩慢地執(zhí)行開關動作。對于SiC器件，這就意味著讓它慢慢地開關，以適應緩沖器的要求，這會重新引入損耗，而這些損耗原本就是我們試圖采用昂貴的SiC器件來消除的?！? 　　 另外，Rahimo說，現(xiàn)在底層材料的價格是普通材料的100倍（對于3英寸的SiC晶片），將來或許會降至10倍。雖然SiC晶片的質(zhì)量有所提升，器件生產(chǎn)商可以適用更小的模具，（5mm2片）同時保證產(chǎn)量，但是更大尺寸的模具（例如25mm2片的50A二極管）的產(chǎn)量就很低了。相對于晶片直徑6英寸和12英寸的單片集成電路二極管器件，4英寸的SiC晶片，質(zhì)量仍舊很差。他補充道：“Si晶片的生產(chǎn)次品率很低，領先SiC功率器件5到10年。”對于高功率SiC器件的時間線可能更長。 　　 其他的開發(fā)人員也意識到了SiC的缺點，但是仍在繼續(xù)開發(fā)。 期望的突破 　　 對于APEI Inc.的應用，用來刺激SiC技術的突破落在器件和封裝上。Lostetter說：“在器件層面上，晶片產(chǎn)量是主要關心的，低產(chǎn)量意味著這種器件商品化的步伐會很慢。”APEI據(jù)稱和許多國際生產(chǎn)商合作，以圖獲得器件的高產(chǎn)量，且處于研發(fā)階段。但是如果器件不能商品化，使用這些器件的系統(tǒng)也就不能商品化。 　　 公司提及的其他要點包括，對于不會降低功率密度性能的壓控常閉器件的需要，以及可以經(jīng)受住長期可靠性和高溫環(huán)境的半導體鍍金工藝。時下很多器件都是常開或者電流控制的。 　　 Lostetter解釋道，使用常開器件來開發(fā)功率系統(tǒng)需要十分小心，特別需要小心的是當系統(tǒng)出現(xiàn)災難性事故時候的保護，例如防止所有功率器件同時打開，直接將電源接地。 [align=center] 圖4：由APEI Inc.開發(fā)的用于NASA的金星登陸機器人的全SiC材料的 直流電機驅(qū)動，可以應用于500℃以上的溫度中。[/align] 在材料層面上，APEI看到了對強模具材料的需求，在功率層上它必須長期可靠、防止擴散、耐腐蝕，機械上可靠的功率層，可以應付極端溫度波動不會因為熱擴張和應力破裂而產(chǎn)生損壞。 　　 一些原型產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，而一些SiC驅(qū)動工程仍有很長的戰(zhàn)線。APEI提及他在于美國政府客戶合作中的令人激動的發(fā)展。高功率密度三相電機驅(qū)動正在應用于美國軍隊的未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（FCS）項目。此系統(tǒng)連接全電子或混合電子戰(zhàn)斗車輛，目標與2020年完成。Lostetter說：“當APEI論證了3-5kW SiC電機驅(qū)動的時候，實際的需求可能已經(jīng)倒100-1000kW了，我們相信這些目標的論證會在2-3年內(nèi)實現(xiàn)，而商業(yè)化會在之后的3-5年內(nèi)實現(xiàn)?！? 　　 APEI公司一個更有野心的項目是為美國國家航空和宇宙航行局NASA的噴氣動力實驗室的金星探索者號（VISE）開發(fā)的極端環(huán)境用直流電機驅(qū)動。這個計劃仍處于設計階段，目標是把探索機器人投放到金星表面。VISE類似成功的火星探索機器人，但是金星的環(huán)境更加嚴酷：表面溫度超過485℃，壓力超過90個大氣壓，大氣層硫酸濃度很高。 NASA的時間表 　　 Lostetter說：“APEI Inc.的基于SiC技術的電機驅(qū)動可以允許機器人完成牽引、負重等功能，而且使用齒輪傳動，而不需要昂貴且很重的電子防護和熱處理系統(tǒng)，而在以前，這些都是必須的。而且基于硅的系統(tǒng)在冷卻液用盡之后的很短時間里就會出問題?！盇PEI估計全SiC材料的電機驅(qū)動會在2010年完成，這滿足NASA將在2013年啟動VISE項目的時間安排。 　　 同時，TransSiC的Hammarlund對于SiC材料難點的去除很有信心，他總結道“到時，我們的產(chǎn)量會很大，而且可以提供50A的芯片。” 　　 功率控制碳化硅的現(xiàn)狀類似“Catch 22”的情況。當可靠的SiC器件大量可用且價格低廉的時候，用戶和相應的應用場合自然會出現(xiàn)，從另一方面講，當有足夠的用戶需求的時候，SiC才能商業(yè)化。